《现代机械设计理论及方法》实验指导书
机械装备及控制工程系编
前 言
通过典型装置的设计、实验等，使学生了解典型现代设计方法，如相似理论、优化设计、有限单元法等方法的理论和应用。从中掌握它们具有的共性及差异性，开发学生的创新思维能力，实际动手及解决问题的能力；加深对课程内容的理解,达到学以致用，具有初步设计、研究新型机械（结构）产品的能力。
实 验 须 知
1．实验前必须预习实验指导书中相关的内容，了解本次实验的目的、要求及注意事项。
2．按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。
3．进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。 4．保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。
5．实验时应严格遵守操作步骤和注意事项。实验中，若遇仪器设备发生故障，应立即向教师报告，及时检查，排除故障后，方能继续实验。
6．实验过程中，若未按操作规程操作仪器，导致仪器损坏者，将按学校有关规定进行处理。
7．实验过程中，同组同学要相互配合，认真测取和记录实验数据；
8．实验结束后，将仪器、工具清理摆正。不得将实验室的工具、仪器、材料等物品携带出实验室。
9．实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。
10．实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。
目 录
实验一相似模型的设计和检测实验 (4)
实验二结构优化设计实验 (4)
实验三结构的有限元分析 (4)
《现代机械设计理论及方法》实验指导书
实验一 相似模型的设计和检测实验
一、 实验目的
1． 了解相似原理；
2． 掌握相似模型设计基本方法； 3． 了解用电阻应变片测量应变的原理；
4． 测定不同工况下二个等强度梁上特征点处（已粘贴应变片处的应变），验证相似模
型应力相似理论；
5． 掌握相似模型检测结果的整理和推广。
二、 实验仪器和设备
1． YJ-4501A/SZ 静态数字电阻应变仪； 2． 全相似等强度梁实验装置二台； 3． 温度补偿块一块。
三、 实验原理和方法
1． 相似模型设计及实验原理： 参见教材。
2． 由阻片测量应变原理：
等强度梁实验装置如图1所示，图中1为等强度梁座体，2为等强度梁，3为等强度梁上下表面粘贴的四片应变片，4为加载砝码（有5个砝码，每个200克），5为水平调节螺钉，6为水平仪，7为磁性表座和百分表。等强度梁的变形由砝码4加载产生。等强度梁材料为高强度铝合金，其弹性模量
2
70m GN E =。等强度梁尺寸见图2。
图1
图2
在图3的测量电桥中，若在四个桥臂上接入规格相同的电阻应变片，它们的电阻值为R ，灵敏系数为K 。当构件变形后，各桥臂电阻的变化分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4它们所感受的应变相应为ε1、ε2、ε3、ε4，则BD 端的输出电压UBD 为
()d
AC
AC AC
BD
K
U
K U R R R R R R R
R U
U
ε
ε
ε
ε
ε4
44
4
3
2
1
4321
=
+??=
??????Δ+Δ?Δ?Δ=
由此可得应变仪的读数应变为
图3
4321εεεεε+??=d
四、 实验内容
1． 模型设计与制作：
（1） 利用相似模型设计原理设计几何相似系数为2的
等强度梁；图2 模型为模型。
（2） 按图2比例在特征点，并粘贴应变片。 2． 实验工况：
（1） 不同载何下的应变； （2） 不同模型的京戏变。 3． 实验步骤：
本实验采用单臂（多点）半桥测量，步骤如下：
（1） 将等强度梁上四个应变片分别接在应变仪背面1~4通道的接线柱A 、B 上，补
偿块上的应变片接在接线柱B 、C 上（见图4），应变仪具体使用祥见应变仪使用说明。
（2） 载荷为零时，按顺序将应变仪每个通道的初始显示应变置零，然后按每级200
克逐级加载至1000克，记录各级载荷作用下的读数应变。
电桥多点接线原理应变仪上多点测量接法
图4
五、 实验结果的处理
1．计算二个模型不同载下的应变；
2．分析检验不同载何和不同模型的应变关系；
3．导出任意相似模型（不同相似系数）和工况下的应变换算关系。
六、 思考题
1．分析各种测量方法中温度补偿的实现方法。
2．若模型不是全相似（如厚度相同），情况如何？
3．相实验如不采用等强度梁，情况如何？实验中应注意哪些问题？
附： YJ-4501A/SZ静态数字电阻应变仪使用简介
一、 面板介绍
应变仪面板如上图所示：
1．左显示窗：显示测量通道，00—99，本机00—12。
2．右显示窗：显示灵敏系数K值，或校准值，或测量值。
3．指示灯：分别为测量（με），灵敏系数（K），校准，全桥，半桥指示灯。
4．全桥测量、半桥测量选择键：。
5．灵敏系数设定键：。
6．测量键：。
7．校准键：。
8．上行、下行键：、。
9．置零键：。
10．RC232传输键：。
11．复位键：。
二、 操作
1．开机
打开应变仪左边电源开关，左显示窗显示提示符P，且半桥指示灯亮（应变仪处于半桥工作状态）。
2．灵敏系数K设定
按K键，K指示灯亮，右显示窗显示上次关机前K值，如不需要设定K值，则按测量键，K指示灯灭，测量με指示灯亮，应变仪进入测量工作状态；如需要重新设定K值，则按上行、下行键，使右显示窗显示为所需设定的K 值（一般K值在1.8~2.5范围内变化），设定完后按测量键，应变仪进入测量工作状态。
3．全桥/半桥选择
应变仪开机时就处于半桥工作状态，如需要选择全桥工作状态，则按全桥/半桥工作键，半桥指示灯灭，全桥指示灯亮，应变仪处于全桥工作状态；如需要返回半桥工作状态，再按一次全桥/半桥键，即返回半桥工作状态。
4．测量
应变仪背面有一个校准通道（0通道）和12个测量通道，可接12个被测量点。应变仪背面如附图1所示。
附图1
（1） 半桥测量
应变仪开机后就处于半桥工作状态，按测量键后，应变仪就可以在半桥测量状态下工作。分别在各通道的A、B、C接线柱上按附图2（a）半桥接线法接入被测量电阻（即应变片），通过上行、下行、置零键，对各测量通道置零（可反复进行），然后进行试验测量。如果用公共补偿接线法，则A、B各通道接工作片，补偿片接在0通道的B、C接线柱上。
（2） 全桥测量
附图2
按全桥/半桥键，使应变仪处于全桥测量状态，分别在各通道的A、B、C、D接线柱上按附图2（b）全桥接线法接入被测量电阻（即应变片），通过上行、下行、置零键，对各测量通道置零（可反复进行），然后进行试验测量。
实验二结构优化设计实验
1、实验目的
z树立工程优化设计和优化决策的思想；
z掌握优化设计的基本概念、基本知识和常用方法；
z熟悉常用工程软件进行优化分析和计算的功能；
1．熟悉无约束优化函数fminunc的语法和应用；
2．掌握编制目标函数文件和调用优化函数文件的方法；
3．熟悉约束优化函数fmincon的语法和应用；
4．掌握约束函数与输入参数的对应关系；
z具有解决机械设计和制造中一般优化设计问题的能力。
2、上机程序
通用分析软件－MATLAB。
3、计算原理和方法
优化分析原理及方法：
参见教材。
4、分析内容
z设计参数的确定；
z设计约束、目标函数的选取表达；
z建立优化设计数学模型；
z根据问题性质确定调用的MATLAB优化函数；
z上机求解；
z结果分析及报告编写
5、实验步骤
利用通用分析软件MATLAB的优化工具箱，分析计算不同工程实际问题。通过练习，掌握利用MATLAB进行优化分析的基本步骤：
打开WINDOWS系统，进入MATLAB界面。
①根据优化设计的数学模型，理解线性、非线性不等式约束函数和边界条件与输入参数的对应关系；
②打开“编辑/调试器”窗口，输入目标函数文件、非线性不等式约束函数文件、调用文件（输入包括：初始点、设计变量边界、线性不等式约束中设计变量的系数矩阵和常数项列阵等，以及调用约束优化函数fmincon的语句），将这三个函数文件分别存储；
③将调用文件复制到命令窗口，运行后得到优化结果；
1 求解多维无约束优化问题的函数fminunc
?fminunc是基于梯度搜索法实现的优化工具箱函数，它的语法说明如下：
? [x ，fval ，exitflag ，output ，grad ，hessian]
? =fminunc(@fun ，x0，options ，P1，P2…) ? 其中，输出参数有： ? x 是返回目标函数的最优解；
? fval 是返回目标函数在最优解x 点的函数值； ? exitflag 是返回算法的终止标志；
? output 是返回优化算法的信息的一个数据结构； ? grad 是返回目标函数在最优解x 点的梯度；
? hessian 是返回目标函数在最优解x 点的hessian 矩阵值。 ? 输入参数有：
? fun 是调用目标函数的函数文件名；
? x0是初始点；options 是设置优化选项参数，包括有18个元素，用以在计算时控制
精度要求、输出形式、算法选择、迭代次数、梯度等重要问题。可用空矩阵符号“[ ]”表示它的默认值；
? P1、P2等是传递给fun 的附加参数。
例 1 已知梯形截面管道的参数是：底边长度为 ，高度为 ，面积 ，
斜边与底边的夹角为θ。管道内液体的流速与管道截面的周长S 的倒数成比例关系。试按照使液体流速最大确定该管道的参数。
c h A
m 2
64516m =? 编制MATLAB 目标函数文件
? function f=sc_wysyh(x) ? a=64516;
? f=a/x(1)-x(1)/tan(x(2)*pi/180)+2*x(1)/sin(x(2)*pi/180); ? 编制调用无约束优化工具函数fminunc 文件 ? x0=[25;45];
? [x,fval]=fminunc(@sc_wysyh,x0) ? 程序运行后得到优化结果： ? x =
? 192.9983 （梯形截面高度）
? 60.0000 （梯形截面斜边与底边夹角）
?fval =
? 668.5656 （梯形截面周长）
?编制绘制目标函数等值线和曲面图的程序
2 求解约束极小值问题的函数fmincon
?fmincon是求解多维约束优化问题的优化工具箱函数。
?语法说明如下：
?[x，fval，exitflag，output，hession]=
?fmincon(@fun，x0，A，b，Aeq，beq，Lb，Ub，‘Nlc’，options，P1，P2，…)
?其中，输入参数有：
?x是返回目标函数的最优解；
?fval是返回目标函数在最优解x点的函数值；
?exitflag是返回算法的终止标志；
?output是返回优化算法的信息的一个数据结构；
?grad是返回目标函数在最优解x点的梯度；
?hessian是是返回目标函数在最优解x点的hessian矩阵值。
?输出参数有：
?fun是调用目标函数的函数文件名；
?x0是初始点；
?线性不等式约束条件的系数矩阵A和常数向量b；
? 线性等式约束条件的系数矩阵Aeq 和常数向量beq ； ? 设计变量的下界向量Lb 和上界向量Ub ； ? ‘Nlc’是定义非线性约束条件的函数名； ? options 是设置优化选项参数； ? P1、P2等是传递给fun 的附加参数。
? 参数A ，b ，Aeq ，beq ，Lb ，Ub ，options 如果没有定义，可用空矩阵符号“[ ]”代替。 ?
例 2 某二级斜齿圆柱齿轮减速器，高速级输入功率P 1 =6.2KW ，转速n 1 =1450 r/min ；总传动比i=31.5，齿轮宽度系数 ，齿轮材料和热处理：大齿轮45号钢正火187~207HB ，小齿轮45号钢调质228~255HB ，工作寿命10年以上。要求按照总中心距 最小来确定齿轮传动方案。
0.4a ψ=a Σ解：将涉及总中心距 齿轮传动方案的六个独立参数作为设计变量 a Σ [][]
12131123456,,,,,,,,,,T T
n n X m m Z Z i x x x x x x β==
式中， 分别为高速级和低速级齿轮副的模数； 12,n n m m 分别为高速级和低速级小齿轮齿数；
Z 1
3
,Z 为高速级传动比；
1
i 为齿轮副螺旋角。 β减速器总中心距 最小的目标函数:
a Σ
1
1352456
(1)(131.5)
()2cos x x x x x x f X x ?+++=
? 性能约束包括：齿面接触强度条件，齿根弯曲强度条件，高速级大齿轮与低速轴不干涉条件等。根据齿轮材料与热处理规范，得到齿面许用接触应力和齿根许用弯曲应力。根据传递功率和转速，在齿轮强度计算条件中代入有关数据：高速轴转矩，中间轴转矩，高速轴和低速轴载荷系数。
? 边界约束包括：根据传递功率与转速估计高速级和低速级齿轮副模数的范围；综合考虑传动平稳、轴向力不能太大、轴齿轮的分度圆直径不能太小与两级传动的大齿轮浸油深度大致相近等因素，估计两级传动大齿
轮的齿数范围、高速级传动比范围和齿轮副螺旋角范围等。
?因此，建立了17个不等式约束条件。
六、实验结果的处理
z分析优化结果的可靠性；
z对离散设计变量进行凑整处理，并且检验凑整解的可行性;
z完成综合实训报告，内容包括：课题、优化设计数学模型、MATLAB程序文件、优化结果及其分析与处理等。
七、思考题
（1）结合给定的实际课题，建立优化设计数学模型要考虑的基本要素有哪些?
（2）比较各种约束极值问题计算方法的优缺点。
实验三结构的有限元分析分析
1、实验目的
z了解有限元分析的程序；
z掌握有限元建模方法；
z掌握有限元的结果分析方法;
z掌握有限元方法的基本原理和应用
2、上机程序
大型通用有限元软件－ANSYS。
3、计算原理和方法
有限元分析原理及方法：
参见教材。
4、分析内容
z实体建模；
z网格划分；
z约束施加；
z载荷施加；
z求解；
z结果分析及报告编写
5、实验步骤
利用大型有限元分析软件 ANSYS，计算下列不同截面的简支梁的变形（图）。通过本例，掌握有限元分析的基本步骤。
梁承受均布载荷：1.0e5 Pa
梁的计算分析模型，梁截面分别采用以下三种截面（单位：m）：
矩形截面：圆截面：工字形截面：
B=0.1, H=0.15 R=0.1 w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2,
t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007
5.1 进入ANSYS
程序→ANSYS →change the working directory into yours →input Initial jobname: beam→Run
5.2设置计算类型
ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural → OK
5.3选择单元类型
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →select Beam 2 node 188 →OK (back to Element Types window)→Close (the Element Type window)
5.4定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural→Linear→Elastic→Isotropic→input EX:2.1e11, PRXY:0.3→ OK
5.5定义截面
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Sections →Beam →Common Sectns→分别定义矩形截面、圆截面和工字形截面：矩形截面:ID=1,B=0.1，H=0.15 →Apply →圆截面：ID=2,R=0.1 →Apply →工字形截面：ID=3,w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2，t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007→OK
5.6生成几何模型
9生成特征点
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入三个点的坐标：input:1(0,0),2(10,0),3(5,1)→OK
9生成梁
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →lines →Straight lines →连接两个特征点，1(0,0),2(10,0) →OK
5.7 网格划分
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing→Mesh Attributes→Picked lines →OK →选择: SECT:1（根据所计算的梁的截面选择编号）；Pick Orientation Keypoint(s):YES→拾取：3#特征点(5,1) →OK→Mesh Tool →Size Controls) lines: Set →Pick All(in Picking Menu) →input NDIV:5→OK (back to Mesh Tool window) → Mesh →Pick All (in Picking Menu) →Close (the Mesh Tool window)
5.8 模型施加约束
9最左端节点加约束
ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement → On Nodes→pick the node at (0,0) → OK→select UX, UY,UZ,ROTX → OK
9最右端节点加约束
ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement → On Nodes→pick the node at (10,0) → OK→select UY,UZ,ROTX → OK
9施加y方向的载荷
ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Pressure→On Beams→Pick All→V ALI:100000 → OK
5.9 分析计算
ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS→OK(to close the solve Current Load Step window) →OK
5.10 结果显示
ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results→Deformed Shape…→select Def + Undeformed→OK (back to Plot Results window) →Contour Plot→Nodal Solu →select: DOF solution, UY, Def + Undeformed , Rotation, ROTZ ,Def + Undeformed→OK
5.11 退出系统
ANSYS Utility Menu: File→ Exit →Save Everything→OK
六、实验结果的处理
z计算分析三个不同截面在相同载荷条件下的变形情况；
z将有限元计算结果与材料力学计算结果进行对比分析。
七、思考题
利用有限元分析软件，对《相似模型的设计和检测实验》中的等强度梁进行分析，并对比分析有限元和实验结果。
现代机械设计方法试题-----复习使用 考试形式：闭卷（带计算器与尺） 一、图解题 1．图解优化问题：min F (X)=(x 1-6)2+(x 2-2)2 s ．t ． 0．5x 1+x 2≤4 3x 1+x 2≤9 x 1+x 2≥1 x 1≥0, x 2≥0 求最优点和最优值。 最优点就是切点坐标：X1=2.7,x2=0.9 最优值：12.1【带入公式结果】 2．若应力与强度服从正态分布，当应力均值μs 与强度均值μr 相等时，试作图表示两者的干涉情况，并在图上示意失效概率F 。 参考解： 3 ．已知某零件的强度r 和应力s 均服从正态分布，且μr >μs ,σr <σs ，试用图形表示强度r 和应力s 的分布曲线，以及该零件的分布曲线和可靠度R 的范围。 参考解： f (s) f (r) Y >0安全状态；Y <0安全状态；Y =0极限状态 f (Y)
强度r 与应力s 的差可用一个多元随机函数Y =r -s =f (x 1,x 2,…,x n )表示，这又称为功能函数。 设随机函数Y 的概率密度函数为f (Y )，可以通过强度r 与应力s 的概率密度函数为f (r )和f (s )计算出干涉变量Y =r-s 的概率密度函数f (Y )，因此零件的可靠度可由下式求得： Y Y f Y p R ?∞ =>=0d )( )0( 从公式可以看出，因为可靠度是以Y 轴的右边对f (Y )积分，因此可靠度R 即为图中Y 轴右边的阴影区域。而失效概率F =1-R ，为图中Y 轴左边的区域。 4．用图表示典型产品的失效率与时间关系曲线，其失效率可以分为几个阶段，请分别对这几个阶段进行分析。 失效率曲线：典型的失效率曲线。失效率（或故障率）曲线反映产品总 体寿命期失效率的情况。图示13.1-8为失效率曲线的典型情况，有时形象地 称为浴盆曲线。失效率随时间变化可分为三段时期： (1) 早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投于使用的早期，失效率较高 而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、 跑合、起动不当等人为因素所造成的。当这些所谓先天不良的失效后且运转 也逐渐正常，则失效率就趋于稳定，到t 0时失效率曲线已开始变平。t 0以前 称为早期失效期。针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免，争取失 效率低且t 0短。 (2) 偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即t 0到t i 间的失效率近似为常 数。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶 然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是 能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而 增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。加大零件截面尺寸 可使抗非预期过载的能力增大，从而使失效率显著下降，然而过分地加大， 将使产品笨重，不经济，往往也不允许。 (3) 耗损失效期，失效率是递增型。在t 1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升，如图13.1-8中虚线所示，以延长寿命不多。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如 报废更为经济。
单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的 序号填在题干的括号内。) 1. f(x)在区间［x 1,x 3］上为单峰函数，x 2为区间中的一点，x 4为利用二次插值法求得的近似极值点，若x 4-x 2＜0,且f(x 4)≥f(x 2)，则新的搜索区间为( D ) A. ［x 1,x 4］ B. ［x 2,x 3］ C. ［x 1,x 2］ D.［x 4,x 3］ 2.对于平面桁架中的杆单元，每个节点在整体坐标系中的位移分量个数为（B ） A1 B2 C3 D4 3.应用四节点等参数单元时，由整体坐标系到自然坐标系单元的映射关系是（C ） A 任意四边形→任意四边形 B 正方形→任意四边形 C 任意四边形→正方形 D 正方形→正方形 4.在任何一个单元内（ D ） A 只有节点符合位移模式 B 只有边界点符合位移模式 C 只有边界点和节点符合位移模式 D 单元内任意点均符合位移模式 4.若强度r 的概率密度函数为f r (r)=λr e r r -λ,则知其分布为（ C ） A 正态分布 B 对数正态分布 C 指数分布 D 威布尔分布 6.标准正态分布的均值和标准离差为（ D ） A μ=1,σ=0 B μ=1,σ=1 C μ=0,σ=0 D μ=0,σ=1 7.若组成系统的诸零件的失效相互独立，但只有某一个零件处于工作状态，当它出现故障后，其它处于待 命状态的零件立即转入工作状态。这种系统称为（ C ） A 串联系统 B 工作冗余系统 C 非工作冗余系统 Dr/n 表决系统 8已知方程组5611327121 2x x x x +=+=??? ()()12，用高斯消元法对式(2)进行向前消元一步运算后，结果为（ C ） A. -=245652x B. x x 122373+= C.-=85252x D. -=-243343 2x 9.Powell 修正算法是一种（ D ） A 一维搜索方法 B 处理约束问题的优化方法 C 利用梯度的无约束优化方法 D 不利用梯度的无约束优化方法 10.某产品的寿命服从指数分布，若知其失效率λ=0.002，则该产品的平均寿命为（C ） A.200 B.1000 C.500 D.2000 11.下列优化方法中，不需计算迭代点一阶导数和二阶导数的是（ B ） A 可行方向法 B 复合形法 C DFP 法 D BFGS 法 11.表示机电设备的一般失效曲线(浴盆曲线)中，偶然失效期的失效密度f(t)服从（ B ）
一、绪论 1.设计活动的特征有哪些？ 时空性、物质性、需求性、创造性、过程性 2.试比较传统设计和现代设计的区别？ 传统设计师静态的、经验的、手工的方法，在设计过程中被动地分析产品的性能；而传统设计师动态的、科学的、计算机化的方法，在设计过程中可以做到主动地设计产品参数。 3.简述现代设计方法的主要内容和基本特点。 主要内容：设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结。设计方法是使产品满足设计要求以及判断产品是否满足设计原则的依据。 现代设计方法主要内容：设计方法学、计算机设计、有限元法、优化设计、可靠性设计 基本特点：程式性、创造性、系统性、最优性、综合性、数字性 二、设计方法学 1.设计过程包括哪几个阶段？ 计划阶段、设计阶段、样机试制阶段、批量生产阶段、销售阶段 2.常用的创造性技法有哪些？ 智力激励法、提问追溯法、联想类推法、组合创新法、反向探求法及系统搜索法6类 3.运用功能分析法进行系统原理方案设计的主要步骤有哪些？ 三、相似理论及相似设计方法 1.相似三定理的内容和用途各是什么？ 相似定理是用来判断两个现象相似的充分必要条件及其所应遵循的法则 内容： 第一定律：对于彼此相似的现象，其相似指标为1，相似判据为一个不变量； 第二定律：某个现象的物理量总数为n，量纲独立的物理量总数为k，则该现象相似准则的个数为n-k，且描述该现象各个物理量之间的关系可表示为相似准则π1，π2，，，，，，πn-k之间的关系，即 π，π，，，，，，π 第三定律：凡同一完整的方程组所描述的同类现象，当单值条件相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象就相识。 用途： 第一定理：介绍相似现象的属性； 第二定理：确定相似准则的个数以及相似结果的推广，也称π； 第三定理：也称模型化法则，也是相似现象的充要条件。 2.相似准则的导出方法及基本依据是什么？ 导出方法：方程分析法、量纲分析法 基本依据：表示各物理量之间关系的方程式，其各项量纲必须是相同的 3.相似准则有哪些特点和性质？ 如果两个现象相似，则这两者的无量纲形式的方程组和单值条件应该相同，具有相同的无量纲形式解。 出现在这两者的无量纲形式的方程组及单值条件中的所有无量纲组合数对应相等。 4.白炽灯的功率为其主要技术参数。现在要求在10~100W之间按几何级数分级设计六种型号。试确定其 功率系列（将计算值按0.5圆整） 解： 四、有限单元法 1.试简述有限单元法的主要思路、具体步骤及其依据。 核心思想：将复杂结构分解成形状简单、便于方程描述的规则单元，列出方程组求解 基本思路： “分”：用有限个规则单元代替原来的各种各样的连续系统，并用近似方程对每个单元的行为加以描述。 “和”：根据一定的规则，把关于单元的方程组合起来构成方程组，并引入外载及约束条件进行求解。 三个步骤：结构的离散化、单元分析、整体分析 2.单元刚度矩阵的物理意义是什么，具有哪些主要特征？
现代设计方法试卷1及答案 一、单项选择题 1.属于无约束优化问题求解算法中的直接法是（ C ） A. 梯度法 B.牛顿法 C.POWELL法 D.变尺度法 2.按类型划分，惩罚函数法属于（ D ） A.一维优化方法 B.无约束优化方法 C.直接法 D.约束优化方法 3.对于只含有不等式约束的优化问题，满足每一个设计约束的设计点，称为 （D） A.边界点 B.非可行点 C.外点 D.内点 4.坐标轮换法以为搜索方向。（C） A.梯度方向 B.共轭方向 C.坐标轴方向 D.负梯度方向 5.一个多元函数F（X）在点X*附近偏导数连续，则该点为极小值点的充分条件是（ B ） A.▽F（X*）=0 B. ▽F（X*）=0,H（X*）正定 C. H（X*）=0 D. ▽F（X*）=0,H（X*）负定 6.在有限元分析中，将构件分割成单元的方法称之为( C ) A.有限化 B.单元化 C.网格化 D.分割化 7.平面问题的弹性矩阵与材料的（ D） A.弹性模量有关，泊松比无关 B.弹性模量无关，泊松比有关 C.弹性模量和泊松比都无关 D.弹性模量和泊松比都有关 8.当零件材料的强度均值小于应力均值时，零件的平均安全系数为n，等效概率为F，则（A ） A.n<1，F>50% B. n>1，F>50% C. n<1，F<50% D. n>1，F<50% 9.串联系统的失效模式大多服从（ D ）
A.正态分布 B.对数正态分布 C.指数分布 D.威布分布 10.抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小 时又有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度为（ C ） A. 0.006 B. 0.004 C. 0.01 D. 0.12 二、填空题 11.单元刚度矩阵具有对称性、 分块 性和奇异性。 12.机电产品零件失效曲线分为三个区域，分别为： 早期失效区域 、正常工 作区域和功能失效区域。 13.函数()223212221+-+=x x x x x F 在点（1，0）处的梯度为 [6,-2]T 。 14.组成并联系统的零件的可靠度与该并联系统的可靠度相比较， 并联系统 的可靠度高。 15.一批产品从投入运行到发生失效的平均时间称为 平均寿命 。 16.可靠度是对产品可靠性的 概率 度量。 17.设某系统由10个零件串连组成，每个零件的可靠度均为0.95，系统的可靠度为 0.599 。 18.根据处理约束条件的方式不同，求解约束优化问题的方法分为 直接法 和间接法。 19.根据是否满足约束条件可以将设计点分为：可行点和 不可行点 。 20.利用目标函数的一阶导数或二阶导数信息构成搜索方向的方法称为 导数法 。 三、名词解释 21、（定义）可靠度：指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，用R 表示。 22、（定义）失效率：又称故障率，产品工作t 时刻时尚未失效（或故障）的产品，在该时刻
考试科目：833机械设计（一） 适用专业：机械制造及其自动化、机械设计及理论 一、复习要求 要求考生熟悉通用机械零件的基本知识，掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有综合运用所学知识设计通用零件和简单机械的能力。 二、主要复习内容 1.绪论 （1）了解课程的内容、性质与任务。 （2）掌握有关的机械设计基本概念。 2.机械零件的强度 （1）掌握疲劳曲线及极限应力曲线的意义及用途；能根据材料的几个基本力学性能（σB、σs、σ-1、σ0）及零件的几何特性，绘制零件的极限应力线图。 （2）掌握单向稳定变应力的机械零件疲劳强度计算方法：① r=常数；②σm=常数；③σmin=常数。了解应力等效转化的概念。 （3）熟悉疲劳损伤累积假说（Miner法则）的意义及其应用方法。 （4）掌握教材中有关线图及数表的查询方法。 3.螺纹连接和螺旋传动 （1）掌握螺纹及螺纹连接件的类型、特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法。（2）能正确进行螺栓组的受力分析并进行螺栓尺寸的计算及类型、规格的选用。 （3）在受拉伸载荷或受倾覆力矩的紧螺栓连接中，能用螺栓连接的受力变形线图分析说明降低螺栓刚度、增大被连接件刚度及增大预紧力可以提高螺栓抗疲劳能力。 （4）掌握滑动螺旋传动的设计计算方法。 4.键、花键、无键连接和销连接 （1）了解键连接的类型及应用特点；掌握键的主要类型及尺寸的选择方法。 （2）了解花键连接的类型、特点及应用。 5.带传动 （1）了解带传动的类型、特点及应用场合。 （2）掌握带传动的工作原理、受力分析、弹性滑动及打滑等基本理论。 （3）了解带传动的失效形式及设计准则。 （4）熟悉带的应力计算及其变化规律。 （5）掌握带传动的参数选择。 （6）熟悉带传动的张紧方法及措施。 6.链传动 （1）了解链传动的工作原理、特点及应用；掌握链传动的“多边形效应”，即链传动的运动不均匀性及动载荷是如何产生的，可采取什么措施（如改变链轮齿数、转速、链条节距等）以改善链传动的运动不均匀性及动载荷。 （2）掌握分析滚子链传动发生跳齿、脱链的主要原因的方法。 （3）掌握链传动的安装布置和张紧。 （4）了解滚子链传动的设计计算方法。 7.齿轮传动 （1）了解齿轮传动的特点及应用；掌握不同条件下齿轮传动的失效形式、设计准则、强度计算方法。
现代设计方法模拟试卷 一、单项选择题（本大题共２0小题。每小题１分。共2０分) 1.ＣＡD 一词已经成为世界通用的名词,它是指（ ） A.计算机辅助工程 B ． 计算机辅助设计 C ．计算机辅助制造? D ．计算机辅助工艺规程设计 2．实验测试了自变量为3,4,５,6，７，８时的函数值，现要用抛物线插值法计算５.８处的函数值,选择下列哪组自变量及其对应的函数值进行插值计算较为合理( ） Ａ．3，4，5 Ｂ．４，5,6 C ．5，６,7?Ｄ．6,7,８ 3．设备坐标系的维数一般为（ ） Ａ．一维 B ．二维 C 三维 Ｄ.四维 4.将平面图形沿Ｘ方向平移１０个单位,沿Y 方向平移１5个单位,其坐标变换矩阵为( ） A.??????????11510010001 B.??????? ???--11510010001 Ｃ.???? ? ?????101001500010D ．???? ??????10 10015000 1 5．在三维几何实体的实现模式中，有一种方法其基本思想是：几何实体都是由若干边界外表 面包容而成的,通过定义和全面存储这些边界外表面信息就可以建立实体几何模型,该方法是（ ) A ．ＣSG 法 ? B ．B-rep 法 ?Ｃ.光线投影法? D.扫描表示法 6．若函数Ｆ(x)在Dl 上具有连续二阶导数（Ｄ是Dl 内部的凸集),则F(ｘ)为D 上的凸函数的充分必要条件是F （x)的H ｅss ｉａn 矩阵( ) Ａ.半正定?B ．正定?C.半负定 D ．负定 7．编码裁剪法(C ｏｈe ｎ-Sutherland 法)中，某点在窗口右方,则其代码应为( ） A.００01 B ．0010 C.0１０0 D.100０ ８．在单峰搜索区间[x 1,x 3］(ｘ１ 邓灿 （机械设计制造及其自动化六班） 摘要：机械设计是机械工程的重要组成部分，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。自古至今，新的设计理论和方法不断形成，最大程度地满足了社会和人们的需要。本文阐述了机械设计理论与方法的历史变演、发展现状以及未来趋势，提出了继承与创新相结合的重要性。 关键词：机械设计理论方法发展 邓灿 （机械设计制造及其自动化六班） 摘要：机械设计是机械工程的重要组成部分，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。自古至今，新的设计理论和方法不断形成，最大程度地满足了社会和人们的需要。本文阐述了机械设计理论与方法的历史变演、发展现状以及未来趋势，提出了继承与创新相结合的重要性。 关键词：机械设计理论方法发展 0 前言 为了满足机器的使用功能要求、经济性要求以及劳动保护和环境保护要求等，设计人员必须有一个科学的设计过程。机械设计是对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。自机械学科开创以来，设计学领域就占据着非常重要的位置，在不同的阶段它都有一套完整的理论和方法，进过积累和创新，不断闪现出新的亮点，最大程度地满足社会和人们对产品的需求。下面介绍了机械设计理论与方法的历史进程、研究现状，通过调研、分析和总结对未来的发展趋势做出了展望。 1 历史回顾 机械设计是为生产机械所必须进行的技术决策活动，由于基础薄弱、积累的经验少等原因，这门学科的确立相对较晚。按照机械界的说法，20世纪60年代以前的机械设计理论与方法称为传统机械设计，其理论与方法都是根据常规的思路和步骤，目前我们所使用的《机械原理》及《机械设计》等教材主要讲述的是常规设计技术，虽然比之现代设计技术它存在着明显的局限性，但是它是学习、应用发展现代设计技术的基础，它的经典性是每一个机械设计人员所不敢轻视和忽略的。 1.1传统机械设计的经典理论 （1）理论基础 机械设计需要观念指导，传统的设计方法能适应和满足当时人们的要求，则必然存在一套公认的理论。这套理论的基础有两点： 1）、静态解析和稳定性解析的观念； 在传统设计理论形成时期，牛顿力学的思维方式总是将处于变动状态之中的事物，抽象为处于相对稳定状态(包括静态)之中来描述；再加之受当时的实验和模拟技术水平的限制，所以就把复杂状态的问题采取近似的、粗略的简化处理，以便进行实验模拟和数值处理。 2）、合格设计的观念 传统的机械设计着重于实现机械本身预定的功能，最大程度地满足机器的工作能力，而对工艺和成本等考虑得较少。整个设计往往是根据任务和目标，先做出第一个方案，甚至造出样机，然后通过评定与考核，进行修改，形成第二轮方案，如此反复，直到满意为止。 （2）概念体系 针对这个理论基础，传统的设计论还建立了自己的经典概念，从而形成了静态解析的理论体系。其概念的建立，大致有两种模式： 1）将客观的变动状态抽象为稳定状态 或静态，进而建立概念，如“载荷” 的概念； 2）对具有随机性的现象，略去其分散 趋势的统计特征，仅只抓住集中趋 势的统计特征来建立概念，如“应 力”概念和“强度”的概念。 （3）设计准则 现代机械设计方法的分类 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。现代设计方法有 :并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化。 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的 ,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托 ,以多种科学方法及技术为 手段 ,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。现代设 计方法有 :并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计一、并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程） 进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类：（I）基于人 员协同和集成的并行化。就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体（企业）协同起来。丰田的产品开发过程有四个主要内容：一个产生主要 设计的概念论文的规划阶段 , 同步设计的系统设计阶段 , 一个具有设计标准的详细设计阶段一个精益生产的样机模具阶段。广泛地协调，不仅仅在设计而且还有生产以及销售协调从概念到市场完整的项目 ,概念创造以及概念支持者,规格、成本目标、设计以及主要 部件选择，确信产品概念精确地被转换为车型的技术细节 ,直接地、经常地与设计师以及工程师交流 ,建立与顾客直接接触（产品经理办公室实施它自己的市场调查，除了通过市场营销进行的定期市场调查）。前端设计设计环节与供应商实现设计的集成多部门协调研发以客户为中心降低批量规模 （2）基于信息、知识协同和集成的并行化。该方法基于 计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造（DFM）和面向装配（DFA）的设计方法，涉及CAX技术、产品信息集成（PDM）技术以及与人员协同集成有关的信息技术。当然，这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程中，它们往往是紧密结合在一起的。实例： 并行工程应用于整车项目开发案例研究在组织机构上，建立一支跨部门矩阵式的开发团队，团队全体成员共同对团队的目的和目标负责，每一个成员都能理解其职责。它确定团队活动的焦点，包括服务和产品。全体成员相互依赖，在协同环境中工作，实施信息预发布、设计评审及反馈，定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进行团队决策，确保团队计划向前推进。结构上可将开发团队划分成若干小组（IPT）。并行工程所需的体系结构通常 由工程设计、质量管理、过程管理、软件环境和生产制造等 5 个系统组成（见图 1）。一 般地，汽车整车产品开发共有 4 个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。并行工程在实施过程中对设计进度和质量控制都可分多级并行循环体，对开发进行协同、配合、反馈和修改的循环工作。设计部门与技术支持、工艺、质量、制造、销售、计算机仿真和供应商等部门形成一个大的循环体，各部门内部又有各专业小组之间的小循环体，根据需求不同可建立不同的循环体（见图 2）。 1. 在整车项目开发周期管理中的作用 图 3 所示为整车开发过程的大计划，纵向列出全部工作内容，横向列出整体开发的时间，在 一、绪论 1.设计活动的特征有哪些 时空性、物质性、需求性、创造性、 过程性 2.试比较传统设计和现代设计的区别 传统设计师静态的、经验的、手工的 方法，在设计过程中被动地分析产品 的性能；而传统设计师动态的、科学 的、计算机化的方法，在设计过程中 可以做到主动地设计产品参数。 3.简述现代设计方法的主要内容和基本 特点。 主要内容：设计理论是对产品设计原 理和机理的科学总结。设计方法是使 产品满足设计要求以及判断产品是否 满足设计原则的依据。 现代设计方法主要内容：设计方法学、计算机设计、有限元法、优化设计、 可靠性设计 基本特点：程式性、创造性、系统性、最优性、综合性、数字性 二、设计方法学 1.设计过程包括哪几个阶段 计划阶段、设计阶段、样机试制阶段、批量生产阶段、销售阶段 2.常用的创造性技法有哪些 智力激励法、提问追溯法、联想类推 法、组合创新法、反向探求法及系统 搜索法6类 3.运用功能分析法进行系统原理方案设 计的主要步骤有哪些 三、相似理论及相似设计方法 1.相似三定理的内容和用途各是什么 相似定理是用来判断两个现象相似的 充分必要条件及其所应遵循的法则 内容： 第一定律：对于彼此相似的现象，其相似指标为1，相似判据为一个不变量； 第二定律：某个现象的物理量总数为n，量纲独立的物理量总数为k，则该现象相似准则的个数为n-k，且描述该现象各个物理量之间的关系可表示为相似准则π1，π2，，，，，，πn-k之间的关系，即 第三定律：凡同一完整的方程组所描述的同类现象，当单值条件相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象就相识。用途： 第一定理：介绍相似现象的属性； 第二定理：确定相似准则的个数以及相似结果的推广，也称π； 第三定理：也称模型化法则，也是相似现象的充要条件。 2.相似准则的导出方法及基本依据是什 《现代设计方法》课程习题集 西南科技大学成人、网络教育学院 版权所有 习题 【说明】：本课程《现代设计方法》（编号为09021）共有单选题,计算题,简答题, 填空题等多种试题类型，其中，本习题集中有[ 填空题,单选题]等试题类型未进入。 一、计算题 1. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 342)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε。 2. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 32)(m in 2+=x x f ，给定[][],1,2a b =-，取1.0=ε 3. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 432+=x )x (f min ，给定[][]40,b ,a =，取10.=ε。 4. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 12)(m in 3+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取5.0=ε 5. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 107)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε 6. 用梯度法求解无约束优化问题： 168)(m in 22221+-+=x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(= ，计算精度1.0=ε。 7. 用梯度法求解96)(m in 12221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(= ，1.0=ε。 8. 用梯度法求解44)(m in 22221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。 9. 用梯度法求解无约束优化问题：1364)(m in 222 121+-+-=x x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(=，计算精度1.0=ε。 10. 用梯度法求解1212221422)(m in x x x x x X f --+=,[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。（请迭代两次） 11. 有三个可靠度均为0.9的子系统组成的并联系统，试比较纯并联及2/3[G]表决系统的可靠度。 12. 一个由2个子系统组成的系统，其可靠度指标为0.85，试按等同分配法分配子系统的可靠度：（1）组成串联系统，（2）组成并联系统。 13. 已知某零件的应力和强度均呈正态分布，零件强度：MPa 516=δμ（均值），MPa S 2.24=δ（标准差），应力：MPa 378=σμ（均值），Mpa S 5.41=σ（标准差），试计算零件的可靠度与失效概率。 14. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少? 15. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少? 机械设计制造及其自动化专业培养方案 一、培养目标 本专业立足于国家及地方经济建设和行业发展的需要，培养基础宽厚、实践动手能力强、综合素质高、视野开阔、具有创新精神和社会责任感的应用型高级专门人才；使学生在机械工程相关领域内，具有运行管理、应用研究、设计制造、科技开发和经营销售等方面的能力。学生毕业后主要在公路、铁路、港口、市政、建筑、制造企业等部门生产第一线从事机械设备的管理、运用、控制、设计、机械化施工、产品研发等工作。 二、专业特色及实现途径 （一）专业特色 本专业为国家管理专业和湖南省特色专业，依托的“机械工程”学科为湖南省“十二五”重点建设学科，学校具有“机械工程”一级学科硕士学位授予权和“工程车辆 轻量化与可靠性技术”湖南省高校重点实验室。本专业已形成一支学术水平高、教学科研能 力强、知识与年龄结构合理、教学科研经验丰富的师资队伍，教师中大多数具有机械设计制造企业工作经历。本专业依托行业优势，设置工程机械、机电一体化两个专业方向，以创新实践能力培养为重点，不断优化专业结构，提高人才的培养质量。几十年来，已培养了近三千名本科生，形成了“立足交通和工程机械行业，传承‘铺路石’精神；夯实基础知识，突出机电一体化；强化工程实践与动手能力，培养面向基层的高级应用型人才”的专业特色。（二）实现途径 1、坚持“立足交通和工程机械行业，服务基层”的人才培养理念 50多年的办学历史，数千名毕业生工作在公路建设施工或工程机械行业的第一线，传承脚踏实地、艰苦奋斗、乐于奉献、锐意进取的“铺路石”精神，获得了社会的广泛认可。毕业生就业主要在路桥、水利、港航等交通施工企业及三一重工、中联重科、柳工等工程机械制造企业。因此，本专业在人才培养目标定位上，始终以“紧密依托交通行业，面向基层，服务区域经济发展”为宗旨，坚持将我校的“铺路石”精神融入到人才培养的各个环节，培育、磨练和培养学生“下得去、用得上、干得好、留得住”的思想品质。 2、更新教学理念，改革教学方法，优化课程体系和教学内容，注重基础知识教育 长期以来，本专业积极开展教育教学创新，不断更新教学理念，与产业、行业专家共同研究、完善与生产实践、社会发展需要相适应的宽口径、厚基础、重实践的课程体系。坚持工程机械的特色专业方向，学科优势贯穿于课堂教学和创新实践中，将典型的科研成果凝练 机械现代设计方法及展望 摘要：机械设计是机械工程的重要组成部分，本文综述了目前常用的几种现代机械设计方法，并展望了未来的机械设计方法的发展趋势。 关键词：机械设计方法展望 1、引言 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将这些转化为具体地描述以人为制造依据的工作过程。机械设计作为工程设计的重要组成部分，不仅代表着将科学发现转化为经济实践的成果，也表征着一个国家和地区的制造业发展水平。 近十几年里，工业产品的设计理论和制造方法发生了极大的变化。首先，由于计算机辅助设计(CAD)、辅助工程(CAE)和辅助制造(CAM)等方法的普遍推广，改变了传统的设计模式，提高了设计质量和工作效率，使设计加工周期大大缩短；其次，机器人及自动化生产线的广泛使用，把操作者从繁重的体力劳动和危险作业环境中解放出来，提高了劳动生产效率。 2、机械设计的常用现代设计方法 2.1专业的现代设计方法 由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软件，能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理，可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为，并形成固定的设计程序，这就是专业的现代设计方法，如：振动分析和设计，摩擦学设计，热力学传热设计，强度、刚度设计，温度场分析等等。这些软件都是在传统的设计方法基础上，应用计算机技术开发出来的。例如：用Pro/M软件分析机械装置的动态特性，用ANSYS软件分析应力都是这方面很好的例子，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。 2.2 通用的现代设计方法 为了满足机械产品性能的高要求，在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。 2.2.1 优化设计 机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根 东 北 大 学 继 续 教 育 学 院 现代机械设计理论与方法 试 卷（作业考核 线下） B 卷（共 4 页） 总分 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 得分 注：请您单面打印，使用黑色或蓝色笔，手写完成作业。杜绝打印，抄袭作业。 一．选择题 （可多选，每題2分，共20分） 1. 机械产品的设计规划阶段，应完成如下主要工作（ ）。 A) 产品的市场需求分析 B) 产品设计的可靠性报告 C) 产品的功能原理设计 D ）产品的结构方案设计 E ）产品的装配草图绘制 F ）产品的零件图和其他技术文件 2. 以下有关机械系统特点的描述哪些是正确的（ ）。 A) 整体性 B) 系统性 C) 独立性 D) 相关性 3. 机械产品的功能是对（ ）进行传递和变换的程序、功效和能力的抽象化描述。 A) 机械流 B) 能量流 C) 物质流 D) 电流 E ）信息流 F ）控制流 4. 功能分解的结果有两种表达方式，其中，（ ）在形式上比较简单、直观，可以清晰地表达各分功能的层次关系，而（ ）则能够更充分地表达各分功能之间的相互配合关系。 A) 功能结构图 B) 功能树 C) 功能元 D ）核心功能 5. 布置传动系统时，一般把带传动安排在传动链的（ ）。 A) 低速端 B) 高速端 6. 以下的结构设计中，哪些结构比较合理？（ ）。 A) B) C) D) ） C) 变形协调原理 D) 任务分配原理 E ）自补偿原理 8. 图示平面问题，满足（ ）。 x x O y A B u=0v=0（a ） B y A A v=0 （b ） O x O x ｖ=0 y B C D 浙江省1月自学考试现代设计方法试题及答案 浙江省 1月自学考试现代设计方法试题 课程代码：09323 一、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题1分，共30分) 1.对第Ⅱ象限中的一个点P 实施-?????? ? ???100010001坐标变换，则变换后P 点位于( ) A.Ⅰ象限 B.Ⅱ象限 C.Ⅲ象限 D.Ⅳ象限 2.滚筒式绘图仪上来自x 方向的脉冲信号使得( ) A.抬笔或落笔 B.笔架左右移动 C.滚筒带动图纸移动 D.停机和开机 3.图形变换矩阵T= 200020001??????? ???,则变换后的图形是原来的( ) A.2倍 B.1倍 C.3倍 D.4倍 4.扫描仪与主机接口，常见接口为( ) A.并行 B.RS-232 C.SCSI D.通信 5.用来定义用户在二维平面或三维世界中的物体，并符合右手定则的直角坐标系是( ) A.设备坐标系 B.世界坐标系 C.物理坐标系 D.规格化坐标系 6.CAD 支撑软件是在CAD 系统中，支撑( )进行CAD 工作的实用性功能软件。 A.用户 B.硬件 C.绘图机 D.打印机 7.对单凸物体进行面可见性测试，当外法线矢量N 和视线矢量S 的夹角( )时，面为可见的。 A.小于60° B.小于90° C.大于90° D.大于60° 8.数据库不但能为多个用户服务，而且能同时被多个用户使用，这种共享是( ) A.自动化的 B.并发的 C.智能化的 D.较大冗余的 9.标准件的图形构成分为4个层次，其中最基本的通用几何元素( ) A.G 类构件 B.K 类构件 C.B 类构件 D.A 类构件 10.在透视投影变换中，斜透视有( )个主灭点。 A.1 B.2 C.3 D.4 11.判断矩阵2014-???? ? ?，它应是( ) A.负定矩阵 B.正定矩阵 C.不定矩阵 D.对称矩阵 第1章 绪 论 教学提示：初步介绍机械设计基础课程研究的内容和机械零件设计的基本要求。 教学要求：掌握构件、零件、机构、机器、机械等名词的含义及机械零件的工作能力计算准则。 1.1 机器的组成 在人们的生产和生活中，广泛使用着各种机器。机器可以减轻或代替人的体力劳动，并大大提高劳动生产率和产品质量。随着科学技术的发展，生产的机械化和自动化已经成为衡量一个国家社会生产力发展水平的重要标志之一。 1.1.1 几个常用术语 1. 机器、机构、机械 尽管机器的用途和性能千差万别，但它们的组成却有共同之处，总的来说机器有三个共同的特征：①都是一种人为的实物组合；②各部分形成运动单元，各运动单元之间具有确定的相对运动；③能实现能量转换或完成有用的机械功。同时具备这三个特征的称为机器，仅具备前两个特征的称为机构。若抛开其在做功和转换能量方面所起的作用，仅从结构和运动观点来看两者并无差别，因此，工程上把机器和机构统称为“机械”。 以单缸内燃机(如图1.1所示)为例，它是由气缸体l、活塞2、进气阀3、排气阀4、连杆5、曲轴6、凸轮7、顶杆8、齿轮9和齿轮10等组成。通过燃气在气缸内的进气—压缩—爆燃—排气过程，使其燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能。 单缸内燃机作为一台机器，是由连杆机构、凸轮机构和齿轮机构组成的。由气缸体、活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构，把燃气推动的活塞往复运动，经连杆转变为曲轴的连续转动；气缸体、齿轮9和10组成的齿轮机构将曲轴的转动传递给凸轮轴；而由凸轮、顶杆、气缸体组成的凸轮机构又将凸轮轴的转动变换为顶杆的直线往复运动，进而保证进、排气阀有规律的启闭。可见，机器由机构组成，简单的机器也可只有一个机构。 2. 构件、零件、部件 组成机器的运动单元称为构件；组成机器的制造单元称为零件。构件可以是单一的零件，也可以由刚性组合在一起的几个零件组成。如图1.1所示中的齿轮既是零件又是构件；而连杆则是由连杆体、连杆盖、螺栓及螺母几个零件组成，这些零件形成一个整体而进行运动，所以称为一个构件，如图1.2所示。 在机械中还把为完成同一使命、彼此协同工作的一系列零件或构件所组成的组合体称为部件，如滚动轴承、联轴器、减速器等。 现代机械设计方法与理论 引言 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。 根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。 1 系统化设计方法 系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。 系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法”，其设计流程见图1 。 图1 技术系统和产品的开发设计方法 (德国工程师协会标准VDI2221) 制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是： (1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法，其质量功能布置方法概貌见图2。 图2 质量功能布置方法概貌 (2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。 (3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。 由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。 1.1 设计元素法 用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。 1.2 图形建模法 研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。机械设计理论与方法的研究
现代机械设计方法的分类
现代机械设计方法
现代设计方法-习题集(含答案)
机械设计及理论.doc
机械现代设计方法及展望
17年12月考试《现代机械设计理论与方法》考核作业
浙江省1月自学考试现代设计方法试题及答案
机械设计原理
现代机械设计方法与理论.doc
相关主题
文本预览